Kohlenstoff ( 4.HG, 14 VE, .. )
Diamant (hart, Isolator, stark lichtbrechend, farblos, 4-bindig, σ-Bindung, BO(C-C)=1, sp³, kubisch, tetraedrisch)
Graphit (weich, 2D-Leiter, Schichtstruktur, schwarz, 4-bindig, 3*σ- + π-Bindung, BO(C-C)=1,5, trigonal planar,
sp², hexagonal)
CO2 Kohlenstoffdioxid ㄑ O = C = O〉 Co + H2O → CO2 + H2 / CaCO3 + 2H+ → Ca2+ +H2O + CO2 / CH4 + 3O2
CO2 + 2H2O / Zellatmung
CO Kohlenmonoxid I C- ≡ O + I HCOOH + H2SO4 → CO + H2O
CO2 + C → 2CO (Boudouard-GG) / C + H2O → CO + H2
C3 O 2 Kohlensuboxid ㄑO = C = C = C = CH2(COOH)2 + H2SO4 → C3O2 + H2O
O〉
CO2 : Kohlenstoffdioxid, 16 VE, AB2, isoelektronisch mit N2O, erstickend wirkenden Gas
CO2(s) : Trockeneis (sublimiert bei 80°C)
überkritisches CO2 : homogenes LM für polare Stoffe
als Säure : CO2 + H2O → H2CO3 (Kohlensäure, schwache Säure, 2-wertige Säure )→ H+ + HCO3-
→ 2H+ + CO32- / CO2 + H2O + CO32- → 2HCO3- (Bicarbonatpuffer, Puffersystem im Blut → pH-Wert
bleibt immer gleich und ändert sich kaum). Hydrogencarbonate sind in Wasser leicht löslich
und bilden durch erhitzen Carbonate → temporäre Wasserhärte
Bändermodell der Leitfähigkeit (bei Festkörpern)
Das Bändermodell oder
Energiebändermodell ist ein
quantenmechanisches Modell zur
Beschreibung von elektronischen
Energiezuständen in einem
idealen Einkristall. Dabei liegen
die Atomrümpfe in einem streng
periodischen Gitter vor. Es gibt
mehrere Energiebereiche, in
denen viele quantenphysikalisch
mögliche Zustände existieren, die
energetisch so dicht liegen, dass
sie als Kontinuum – als
Energieband – angesehen
werden können. Die zugehörige
Darstellung wird als
Banddiagramm bezeichnet. Das
Energiebändermodell eines
Festkörpers ist dann die im
Impulsraum dargestellte
Bandstruktur.
conduction band: Leitfähigkeitsband; valence band: Valenzband; filled band: Inneres
Band; Isolator, Halbleiter, Metallleiter
Silicium ( 4.HG, 14 VE, .. ) [Halbmetall]
SiMETALLURGISCH: Rohstoff für die SiREINST-Gewinnung
SiREINST: Halbleitertechnologie
SiMETALL: SiO2 + 2C → Si + 2CO (el. Ofen, 1500°C)
SIEMENS-Verfahren / CVD-Prozess
SiMETALL + 3 HCl → HSiCl3 + H2
HSiCl3 + H2 → SiREINST + 3 HCl
SiO2 Siliciumdioxid ㄑ O =SI = O〉 Si + SiO2 → 2 SiO
kovalente 4HF + SiO2 → SiF4 + 2H2O (im Allgemeinen resistent ggü Säuren, außer b
Bindung HF)
Namen/ Modifikationen: Quarz,Tridymit,Cristobalit,Coesit(K
4),Stishovit(KO:6)
SiO44- Orthosilikat Können im Gitter Ionen (besonders Ca2+ und Na+) austauschen
Si(OH) Orthokieselsäure Orthokieselsäure spaltet bei Änderung des pH-Wertes Wass
4 (sehr schwach) ab(Kondensation) → Di,- Tri- .. , Poly-Kieselsäure (H 2n+2SinO3n+1)
* kovalente Bindung wird dadurch erklärt, dass man zusätzlich zu den polarisierten Einfachbindungen p(pi)-d(pi)-
Bindungen annimmt. Diese kommen dadurch zustande, dass freie p-Elektronenpaare des Sauerstoffs in leere d-
Orbitale des Silizium eingebaut werden.
, Si-Einkristalle:
Zonenziehen: 2H2SiO4 → H6Si2O6 + H2O / (H4SiO3)2
Tiegelziehen (Zochvalski-Verfahren): H4SiO3 - H2O → SiO2 + H2O (Kieselgel)→ SiO2 (Silicagel)
- Quarzglas: auch Kieselglas, ist ein Glas, das im Gegensatz zu den gebräuchlichen Gläsern keine
Beimengungen von Natriumcarbonat oder Calciumoxid enthält, d. h. aus reinem Siliziumdioxid (SiO 2)
besteht
- Unterschied Glas - Kristall : Glas: Glasware, die weniger als 4% Bleioxid enthält/ unterkühlte Schmelzen
aus Quarzsand und anderen Zusätzen,, Kristall: Glasware mit mehr als 10% Bleioxid
- Silikate: Salze der verschiedenen Kieselsäuren
- Alumosilikate: Sammelbezeichnungen für Minerale und chemische Verbindungen aus der Gruppe der
Silikate, die sich aus den Grundbausteinen SiO4-Tetraeder und AlO4-Tetraeder aufbauen.
Zeolithe: In dessen Mitte können sich Kationen und Wassermoleküle befinden. Sie dienen daher als
Ionentauscher und Molekularsiebe und als Ersatz von Phosphat in Waschmitteln.
Fremdhalbleitung durch Dotierung (n-Typ, p-Typ)
Am Beispiel von Silicium, dem meistverwendeten Basismaterial für Halbleiterbauelemente, soll nachfolgend kurz
beschrieben werden, was unter n- und p-Dotierung (negativ- bzw. positiv-Dotierung) verstanden wird. Ein
Siliciumeinkristall besteht aus vierwertigen Siliciumatomen. Die vier Valenzelektronen eines jeden Siliciumatoms
bauen vier kovalente Bindungen zu seinen Nachbaratomen auf und bilden dadurch die Kristallstruktur; dies macht
alle vier Elektronen zu Bindungselektronen.
Bei der n-Dotierung (n für die freibewegliche negative Ladung, die dadurch eingebracht wird)
werden fünfwertige Elemente, die sogenannten Donatoren, in das Siliciumgitter eingebracht und
ersetzen dafür vierwertige Silicium-Atome. Ein fünfwertiges Element hat fünf Außenelektronen für
kovalente Bindungen zur Verfügung, sodass beim Austausch eines Siliciumatoms durch ein
Fremdatom im Kristall ein Außenelektron des Donators (quasi) frei beweglich zur Verfügung steht
(eigentlich in einem Energieniveau dicht unterhalb des Leitungsbandes gebunden). Das Elektron
bewegt sich beim Anlegen einer Spannung, diese Bewegung stellt einen Strom dar. An der Stelle
des Donator-Atoms entsteht eine ortsfeste positive Ladung, der eine negative Ladung des
freibeweglichen Elektrons gegenübersteht.
Bei der p-Dotierung (p für die freibewegliche positive Lücke, auch Loch oder Defektelektron
genannt, die dadurch eingebracht wird) werden dreiwertige Elemente, die sogenannten
Akzeptoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür vierwertige Silicium-Atome. Ein
dreiwertiges Element hat drei Außenelektronen für kovalente Bindungen zur Verfügung. Für die
vierte fehlt im Siliciumkristall ein Außenelektron. Diese Elektronenfehlstelle wird als „Loch“ oder
Defektelektron bezeichnet. Beim Anlegen einer Spannung verhält sich dieses Loch wie ein frei
beweglicher positiver Ladungsträger (im Valenzband), es bewegt sich – analog zum negativ
geladenen Elektron – , diese Bewegung stellt einen Strom dar. Dabei springt ein Elektron –
angetrieben durch das äußere Feld – aus einer kovalenten Bindung heraus, füllt ein Loch und
hinterlässt ein neues Loch. An der Stelle des Akzeptor-Atoms entsteht eine ortsfeste negative
Ladung, der eine positive Ladung des freibeweglichen Loches gegenübersteht.
Die Bewegungsrichtung der Löcher verhält sich dabei entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung
der Elektronen und somit in Richtung der technischen Stromrichtung.
Bor (3.HG, 13 VE, .. )
- Gewinnung : 2H3BO3 → B2O3 + 3 H2O / B2O3 + 3 Mg → 3 MgO + 2B / 2B + 3I 2 → 2BI3 → 2BREINST +
3I2
- Struktur: viele Modifikationen/Gitterstrukturen mit dem B12-IKOSAEDER als Strukturbaustein
- BH3 → (Addukt-Bildung) BH3 * NH3
- 2B + 1 ½ O2 → B2O3 (Bortrioxid, Diboran, einfachster stabile Borwasserstoff) (+2H2O) → 2B(OH3)
(Borsäure, koordinative Rückbindung) + 6H2, / Borsäure reagiert mit 2* Wasser zu H3O+ und B(OH)4-.
- Borsäure bildet Schichtengitter, die untereinander mit H-Brücken verknüpft sind.
- Diboran ist eine Elektronenmangelverbindung. Um beide Boratome über zwei H-Brücken zu
verknüpfen, stehen den Bindungspartner jeweils nur zwei Elektronen zur Verfügung. Die
Bindungstheorie erklärt diesen Sachverhalt durch die Ausbildung der sog. ZWEI-
ELEKTRONEN-DREI-ZENTREN-BINDUNG. Bei der Anwendung der MO-Theorie auf zwei
Atome entstehen ein bindendes und ein lockeres Molekülorbital. Werden nun in einem Molekül
wie B2H6 drei Atome miteinander verbunden, lässt sich ein drittes Molekülorbital konstruieren,
dessen Energie zwischen den beiden anderen MO liegt und keinen Beitrag zur Bindung leistet
(=nichtbindendes Molekülorbital)
- Borsäure ist keine Bronsted-Säure: B(OH)3 + H2O → H+ + B(OH)4- (Tetrathydrogenborat)
- Nachweis: B(OH)3 + 3CH3OH → B(OCH3)3
- Borane lassen sich in Gruppen einteilen : BnHn+4 + BnHn+6 + BnHn+8 + BnHn+10 + B20H16
- auch hier kommt es zu Dreizentrenbindungen (BHB, BBB)
- Borhalogenide (BF3, HBF4, ..) B2O3 + 6HF → 2 BF3 + 3 H2O, die Fluoratome liegen an den
Ecken eines gleichseitigen Dreiecks mit Bor in der Mitte, BO = 1 1/3
Diamant (hart, Isolator, stark lichtbrechend, farblos, 4-bindig, σ-Bindung, BO(C-C)=1, sp³, kubisch, tetraedrisch)
Graphit (weich, 2D-Leiter, Schichtstruktur, schwarz, 4-bindig, 3*σ- + π-Bindung, BO(C-C)=1,5, trigonal planar,
sp², hexagonal)
CO2 Kohlenstoffdioxid ㄑ O = C = O〉 Co + H2O → CO2 + H2 / CaCO3 + 2H+ → Ca2+ +H2O + CO2 / CH4 + 3O2
CO2 + 2H2O / Zellatmung
CO Kohlenmonoxid I C- ≡ O + I HCOOH + H2SO4 → CO + H2O
CO2 + C → 2CO (Boudouard-GG) / C + H2O → CO + H2
C3 O 2 Kohlensuboxid ㄑO = C = C = C = CH2(COOH)2 + H2SO4 → C3O2 + H2O
O〉
CO2 : Kohlenstoffdioxid, 16 VE, AB2, isoelektronisch mit N2O, erstickend wirkenden Gas
CO2(s) : Trockeneis (sublimiert bei 80°C)
überkritisches CO2 : homogenes LM für polare Stoffe
als Säure : CO2 + H2O → H2CO3 (Kohlensäure, schwache Säure, 2-wertige Säure )→ H+ + HCO3-
→ 2H+ + CO32- / CO2 + H2O + CO32- → 2HCO3- (Bicarbonatpuffer, Puffersystem im Blut → pH-Wert
bleibt immer gleich und ändert sich kaum). Hydrogencarbonate sind in Wasser leicht löslich
und bilden durch erhitzen Carbonate → temporäre Wasserhärte
Bändermodell der Leitfähigkeit (bei Festkörpern)
Das Bändermodell oder
Energiebändermodell ist ein
quantenmechanisches Modell zur
Beschreibung von elektronischen
Energiezuständen in einem
idealen Einkristall. Dabei liegen
die Atomrümpfe in einem streng
periodischen Gitter vor. Es gibt
mehrere Energiebereiche, in
denen viele quantenphysikalisch
mögliche Zustände existieren, die
energetisch so dicht liegen, dass
sie als Kontinuum – als
Energieband – angesehen
werden können. Die zugehörige
Darstellung wird als
Banddiagramm bezeichnet. Das
Energiebändermodell eines
Festkörpers ist dann die im
Impulsraum dargestellte
Bandstruktur.
conduction band: Leitfähigkeitsband; valence band: Valenzband; filled band: Inneres
Band; Isolator, Halbleiter, Metallleiter
Silicium ( 4.HG, 14 VE, .. ) [Halbmetall]
SiMETALLURGISCH: Rohstoff für die SiREINST-Gewinnung
SiREINST: Halbleitertechnologie
SiMETALL: SiO2 + 2C → Si + 2CO (el. Ofen, 1500°C)
SIEMENS-Verfahren / CVD-Prozess
SiMETALL + 3 HCl → HSiCl3 + H2
HSiCl3 + H2 → SiREINST + 3 HCl
SiO2 Siliciumdioxid ㄑ O =SI = O〉 Si + SiO2 → 2 SiO
kovalente 4HF + SiO2 → SiF4 + 2H2O (im Allgemeinen resistent ggü Säuren, außer b
Bindung HF)
Namen/ Modifikationen: Quarz,Tridymit,Cristobalit,Coesit(K
4),Stishovit(KO:6)
SiO44- Orthosilikat Können im Gitter Ionen (besonders Ca2+ und Na+) austauschen
Si(OH) Orthokieselsäure Orthokieselsäure spaltet bei Änderung des pH-Wertes Wass
4 (sehr schwach) ab(Kondensation) → Di,- Tri- .. , Poly-Kieselsäure (H 2n+2SinO3n+1)
* kovalente Bindung wird dadurch erklärt, dass man zusätzlich zu den polarisierten Einfachbindungen p(pi)-d(pi)-
Bindungen annimmt. Diese kommen dadurch zustande, dass freie p-Elektronenpaare des Sauerstoffs in leere d-
Orbitale des Silizium eingebaut werden.
, Si-Einkristalle:
Zonenziehen: 2H2SiO4 → H6Si2O6 + H2O / (H4SiO3)2
Tiegelziehen (Zochvalski-Verfahren): H4SiO3 - H2O → SiO2 + H2O (Kieselgel)→ SiO2 (Silicagel)
- Quarzglas: auch Kieselglas, ist ein Glas, das im Gegensatz zu den gebräuchlichen Gläsern keine
Beimengungen von Natriumcarbonat oder Calciumoxid enthält, d. h. aus reinem Siliziumdioxid (SiO 2)
besteht
- Unterschied Glas - Kristall : Glas: Glasware, die weniger als 4% Bleioxid enthält/ unterkühlte Schmelzen
aus Quarzsand und anderen Zusätzen,, Kristall: Glasware mit mehr als 10% Bleioxid
- Silikate: Salze der verschiedenen Kieselsäuren
- Alumosilikate: Sammelbezeichnungen für Minerale und chemische Verbindungen aus der Gruppe der
Silikate, die sich aus den Grundbausteinen SiO4-Tetraeder und AlO4-Tetraeder aufbauen.
Zeolithe: In dessen Mitte können sich Kationen und Wassermoleküle befinden. Sie dienen daher als
Ionentauscher und Molekularsiebe und als Ersatz von Phosphat in Waschmitteln.
Fremdhalbleitung durch Dotierung (n-Typ, p-Typ)
Am Beispiel von Silicium, dem meistverwendeten Basismaterial für Halbleiterbauelemente, soll nachfolgend kurz
beschrieben werden, was unter n- und p-Dotierung (negativ- bzw. positiv-Dotierung) verstanden wird. Ein
Siliciumeinkristall besteht aus vierwertigen Siliciumatomen. Die vier Valenzelektronen eines jeden Siliciumatoms
bauen vier kovalente Bindungen zu seinen Nachbaratomen auf und bilden dadurch die Kristallstruktur; dies macht
alle vier Elektronen zu Bindungselektronen.
Bei der n-Dotierung (n für die freibewegliche negative Ladung, die dadurch eingebracht wird)
werden fünfwertige Elemente, die sogenannten Donatoren, in das Siliciumgitter eingebracht und
ersetzen dafür vierwertige Silicium-Atome. Ein fünfwertiges Element hat fünf Außenelektronen für
kovalente Bindungen zur Verfügung, sodass beim Austausch eines Siliciumatoms durch ein
Fremdatom im Kristall ein Außenelektron des Donators (quasi) frei beweglich zur Verfügung steht
(eigentlich in einem Energieniveau dicht unterhalb des Leitungsbandes gebunden). Das Elektron
bewegt sich beim Anlegen einer Spannung, diese Bewegung stellt einen Strom dar. An der Stelle
des Donator-Atoms entsteht eine ortsfeste positive Ladung, der eine negative Ladung des
freibeweglichen Elektrons gegenübersteht.
Bei der p-Dotierung (p für die freibewegliche positive Lücke, auch Loch oder Defektelektron
genannt, die dadurch eingebracht wird) werden dreiwertige Elemente, die sogenannten
Akzeptoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür vierwertige Silicium-Atome. Ein
dreiwertiges Element hat drei Außenelektronen für kovalente Bindungen zur Verfügung. Für die
vierte fehlt im Siliciumkristall ein Außenelektron. Diese Elektronenfehlstelle wird als „Loch“ oder
Defektelektron bezeichnet. Beim Anlegen einer Spannung verhält sich dieses Loch wie ein frei
beweglicher positiver Ladungsträger (im Valenzband), es bewegt sich – analog zum negativ
geladenen Elektron – , diese Bewegung stellt einen Strom dar. Dabei springt ein Elektron –
angetrieben durch das äußere Feld – aus einer kovalenten Bindung heraus, füllt ein Loch und
hinterlässt ein neues Loch. An der Stelle des Akzeptor-Atoms entsteht eine ortsfeste negative
Ladung, der eine positive Ladung des freibeweglichen Loches gegenübersteht.
Die Bewegungsrichtung der Löcher verhält sich dabei entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung
der Elektronen und somit in Richtung der technischen Stromrichtung.
Bor (3.HG, 13 VE, .. )
- Gewinnung : 2H3BO3 → B2O3 + 3 H2O / B2O3 + 3 Mg → 3 MgO + 2B / 2B + 3I 2 → 2BI3 → 2BREINST +
3I2
- Struktur: viele Modifikationen/Gitterstrukturen mit dem B12-IKOSAEDER als Strukturbaustein
- BH3 → (Addukt-Bildung) BH3 * NH3
- 2B + 1 ½ O2 → B2O3 (Bortrioxid, Diboran, einfachster stabile Borwasserstoff) (+2H2O) → 2B(OH3)
(Borsäure, koordinative Rückbindung) + 6H2, / Borsäure reagiert mit 2* Wasser zu H3O+ und B(OH)4-.
- Borsäure bildet Schichtengitter, die untereinander mit H-Brücken verknüpft sind.
- Diboran ist eine Elektronenmangelverbindung. Um beide Boratome über zwei H-Brücken zu
verknüpfen, stehen den Bindungspartner jeweils nur zwei Elektronen zur Verfügung. Die
Bindungstheorie erklärt diesen Sachverhalt durch die Ausbildung der sog. ZWEI-
ELEKTRONEN-DREI-ZENTREN-BINDUNG. Bei der Anwendung der MO-Theorie auf zwei
Atome entstehen ein bindendes und ein lockeres Molekülorbital. Werden nun in einem Molekül
wie B2H6 drei Atome miteinander verbunden, lässt sich ein drittes Molekülorbital konstruieren,
dessen Energie zwischen den beiden anderen MO liegt und keinen Beitrag zur Bindung leistet
(=nichtbindendes Molekülorbital)
- Borsäure ist keine Bronsted-Säure: B(OH)3 + H2O → H+ + B(OH)4- (Tetrathydrogenborat)
- Nachweis: B(OH)3 + 3CH3OH → B(OCH3)3
- Borane lassen sich in Gruppen einteilen : BnHn+4 + BnHn+6 + BnHn+8 + BnHn+10 + B20H16
- auch hier kommt es zu Dreizentrenbindungen (BHB, BBB)
- Borhalogenide (BF3, HBF4, ..) B2O3 + 6HF → 2 BF3 + 3 H2O, die Fluoratome liegen an den
Ecken eines gleichseitigen Dreiecks mit Bor in der Mitte, BO = 1 1/3
